造 船 の 最 先 端を見 つ める技 術 情 報 誌

NEWSNo.104JUNE 2019

造 船 の 最 先 端を見 つ める技 術 情 報 誌

NEWSNo.104JUNE 2019

CONTENTS
新潟市消防艇「にほんかい」代船について
3

誰も知らないソマリランドのビックリ情報
6
SHIP

SA

FETY

JICA 課題別研修「船舶安全」フォローアップ調査について
8

船型改良業務の紹介
9

造船設計ノート

高速艇の復原性と安定性（4）11次世代流体シミュレーション技術のご紹介
18

造船業におけるレーザ・アークハイブリッド厚板溶接法に係る（最終回）
共同研究について（その 7）
21

当センターは東日本大震災復興キャンペーンを応援しています。

一般財団法人 日本造船技術センター〒 180-0003 東京都武蔵野市吉祥寺南町 1 丁目 6 番 1 号 吉祥寺スバルビル 3 階 TEL 0422-40-2820 FAX 0422-40-2827

2

SRC NEWS No.104 June 2019

新潟市消防艇「にほんかい」代船について

航走写真

1. まえがき新潟市消防局に所属し、同局中央消防署礎出張所が運用する消防艇「にほんかい」は、国際拠点港湾であるとともに、日本
海側で唯一「中核国際港湾」に指定されている新潟港及び河川流域を含む同港付近沿岸域において発生が予想される、船舶火起工

平成 30 年 4 月 13 日

進水

平成 30 年 11 月 12 日

竣工

平成 30 年 12 月 5 日

3. 本船の基本コンセプト
建造に当たっては、以下の 5 項目の業務を遂行するに十分な

災、陸上火災及び水難事故等に対応するために建造された消防性能及び装備を有する消防艇として計画した。

艇である。

（1）海上における船舶火災、沿岸危険物施設及び建造物等の火

また、本艇の建造時期が、新潟港開港 150 周年事業の実施

災に対する消防活動。

期間と重なっていたことから、デザインの決定に際して、多数（2）海上及び河川における迅速な救急救助活動。

の市民から投票がある等、本艇に対する市民の関心は非常に高（3）沿岸部における陸上火災の消火活動にあたる消防車両等へ

く、市民の安全、安心を守る要として、今後の活躍が大いに期待されている。

2. 基本設計及び工程の大量送水。
（4）災害時等の物資輸送。
（5）流出油等の海面処理活動。
上記項目を満足させるため、全耐食性アルミニウム合金製

基本設計及び建造監理 （一財）日本造船技術センター

単胴 V 型船型の船体に高速ディーゼル機関 2 基 + ウォーター建造

ジェット推進装置 2 基を搭載し、船体中央部に電動油圧による

東和造船株式会社

SRC NEWS No.104 June 20193

起倒式門型マストを装備することとした。

⑦ 逆転減速機

また、本艇は新潟港周辺における対応のみならず、緊急消防

遊星歯車式 2 段減速

援助隊への派遣要請を受けた際には、迅速に日本全国へ展開できるよう、限定沿海に加え、沿岸小型船の航行区域を取得するものとした。

ZF550-1TS⑧ 消防救難装置
消防ポンプ（単段渦巻ポンプ）

×2台

5,000ℓ/min × 140m
放水砲（泡水兼用）

4. 本船の概要

電動遠隔操作型（5,000ℓ/min）（1）一般配置

自動可変流量ノズル付

一般配置は、上甲板下に前部から船首倉庫、隊員室、機関室の 3 区画を設けた。機関室には、前方から泡原液タンク、主流量範囲 1,100~7,500ℓ/min
放水集合管（可動式）
可動範囲

ジェット推進装置を配置した。上甲板には前部に操舵室が一体

φ 65 × 5 個 / 組となった甲板室を設け、甲板上に小型救助艇とダビットを搭載

φ 150 × 1 個（陸上送水用）/ 組を設置した他、上甲板中央部付近に、救難吸水装置と放水集合

×2組

内側 20 度、外側 90 度

救難用吸水装置
φ 90管を設置した。

自衛噴霧装置（2）主要目等

120ℓ/min① 船質及び航行区域

×2基

モンスーン RC 型

配電盤、発電機、主機駆動消防ポンプ、主機関及びウォーターした。また、消防関連装置としては、船首甲板上に放水砲 2 基

×2個
×7基

泡原液タンク（SUS316L 製）

船質

耐食性アルミニウム合金

航行区域

限定沿海及び沿岸小型船舶（3）主要装備

船型

単胴 V 型① ジョイスティック操船装置

×1式

救命設備

JG・第 4 種船② 小型救助艇（複合型）

×1隻② 主要寸法等

1,500ℓ

×1個

長さ

3.9m

長さ（全長）

19.90m

船外機

18.4kW × 1 基

登録長

5.93m

定員

5名

幅 （型）

4.16m

航行区域：

深さ（型）

2.00m

沿海区域（ただし、母船から半径 5 海里以内）

計画満載喫水1.00m

可搬型小型船舶

総トン数

19 トン

③ 電動ウインチ付ダビット③ 速力及び航続時間
常備状態速力巡航

25.0 ノット以上

試運転状態速力

最大33.0 ノット

航続時間85% 出力 約 8 時間

4 サイクル V 型高速ディーゼル

×2基

散布管長

×1式

4,045㎜（取外し式）
×1式

連続最大出力 720kW × 2,250min

ウォータージェット推進装置を採用し、オプションのジョイス-1

ティック操船装置（以下ジョイスティックと表記する。）を装備

連続定格 18.2kW（22.75kVA）

ONAN21.5MDKDR

ウォータージェット推進装置

Hamilton HM521

SRC NEWS No.104 June 2019（1）操船性能（ジョイスティック操船装置）
速力向上と河川を含めた浅海域での行動を両立するために、

MTU8V2000M72

⑥ 推進器

300㎏

5. 本船の特徴⑤ 主機関及び補機関

防音箱入

最大吊荷重

×1基

表示モード：マルチビーム、サイドスキャン、断面等

その他（旅客）12 人

発電機

1.8m

⑤ マルチビームソナー

船員 5 人主機関

アーム長④ 油処理剤散布装置④ 最大搭載人員

4

×2基

×1基

した。先代がオメガクラッチと固定ピッチプロペラに舵の組合×2基せであったのに比べ、ウォータージェットをジョイスティックによって操作する本船では、前後進の他、横移動及び回頭も片手の操作で可能になり、消火活動時の船位保持を含めて低速域での操船性能が著しく向上した。

（2）逆転減速機
消火活動時には対水速力がほとんどなくなるため、ウォー
タージェットインレットダクト内への海水流量が減少し、キャビテーションが発生する可能性があった。
そのため、消防モード時にインペラの回転数を下げる目的で、2 段減速仕様の逆転減速機を採用した。
今回採用した ZF 製逆転減速機は、減速機構に遊星歯車を使用しているため、消防モードに移行する際にクラッチを切る必
要がなく、スムーズに消火活動に移行することが可能となった。

（3）放水能力（5）起倒式マスト

主機関により駆動

新潟市内には一す る 5,000 ℓ/min の級河川の信濃川が消防ポンプ 2 台を装流れており、河口に備しているが、放水設けられた新潟港

砲を 1,100~7,500ℓ/

から上流にかけて

min の自動可変流量

萬代橋をはじめ多型 2 基装備としたため、大放水量が必要な場合には放水砲数の橋梁が架けら1 基 + 消防ポンプ 2 台の運転により、7,500 ℓ/min の放水をれている。
そのため、上流域での火災及び水難事故へ対応するには、こ可能とした。
なお、海上試運転において電磁流量計によりポンプの吐出量

れら橋梁の下を航過できる構造が必要とされたことにより、船を計測した結果、ポンプ 1 台当たりの吐出量は 7,500 ℓ/min

体中央部に電動油圧による可倒式マストを装備して、全高を満であった。

載喫水線上 3.5m 以内とした。

（4）陸上送水能力
消防に関する装備の中で、もう一つの大きな特徴が陸上への送水能力である。
これは、新潟市消防局が保有する海水利用型消防水利シス

放水集合管

テムを構成するコンテナ式ホース延長車と連携して、
陸上約1,800m
まで大量の海水を送水するもので、放水集合管端部に 150mm
萬代橋航過試験

ストルツ金具を設け、150mm 大口径ホースを接続して使用する。

6. あとがき
本艇の基本設計、建造監理を進めるにあたり、船主である新潟市防局殿には終始適切なご指導ご支援を戴きました。また、建造に当られた東和造船株式会社殿はじめ、関係メーカー各位には高度な造船技術を持って本船建造に尽力されました。厚く御礼申し上げます。
（海洋技術部小川明彦）

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誰も知らない
ソマリランドのビックリ情報
1. レベル 4 の国
寒さ厳しい 2 月下旬、通勤途中の新宿駅でバッ
タリと知人の農業コンサルタントに出くわせました。聞くと事も無げに「今日はイラク案件の会議に呼ばれている。多分現地入りは 3 月中かな」。
海外コンサル稼業は、顧客の要望に応じ、原則どの国にも行きますが、中には「危ない国」に分類

ジブチ国際空港前の実機モニュメント

される国も。で、今回ご紹介するのはソマリア

ダーロ航空の搭乗券のソマリランドです。
ソマリアといえば、血で血を洗う内戦国というイメージで、事実外務省の海外安全情報を見ると、国全土がレベル 4「退避勧告」を示し真っ赤。連邦共和国ですが、目下①連邦共和国政府のある南部、②北東部のプントランド（1998 年

7 月自治宣言）、③北西部のソマリランド（1991

港湾局の公用車

年独立宣言）を構成し、民族的には同じソマリ族ですが、多くの氏族間で抗争が絶えません。

国手続時、研修員がメールで送ってきたビザを見せ入国税 60

こうした中、先年ソマリランド海事関係者が研修来日した際、「ぜひ実態を見てくれ」というので 2015 年 11 月に 2 泊 3 日で同国を訪れました。

米ドルを払うとスンナリ通過。外に出ると爽やかな風が吹きわたり快適です。
研修員と合流・打合せ後、その日はホテルで投宿。翌朝 5 時

ジブチとハルゲイサ間にはダーロ航空とジュッバ航空が週 2半に港湾局の車で出発、約 200km 離れたベルベラ港に向かい便ずつ運航。午前 9 時ジブチ発なので余裕を見込んで 6 時に着ました。後部座席にはカービン銃を携えたガードマン。警護付

くと既にカウンター閉鎖。慌てて職員に聞くと 6 時 15 分が搭

きでないと外国人は市外に出られない決まりです。

乗時間なので「もう遅い」とのこと。必死で頼み込み何とか手続を済ませました。ちなみにダーロは世界 448 社で安全評価ワー
スト 10。古びた BAE-146 型機を見たら思わず緊張しました。

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線をひたすら 3 時間ほど走るとベルベラ港に到着。
最初は漁港視察。日本の寿司チェーン社長も注目のソマリア
り沿岸漁業が主体。沖合で 1 泊操業できるよう屋根付キャビン

灼熱のジブチから 45 分で海抜 1260m のハルゲイサ着。入ベルベラ漁港の漁船。FRP 船はモガディシュで建造

途中町らしい町もなく、しかし至る所に検問がある国道 1 号

沖マグロですが、刺し網を使った船外機付 FRP ボートでの日帰2. 快適な首都と灼熱の港町

6

第二次大戦中に伊軍侵攻時に戦死した地元兵士を祈念し英国がベルベラ郊外に建てた石碑

で船内機付の漁船の普及が漁業振興に不可欠で、密漁取締りの

海事漁業アカデミーの大講堂

港湾局のある建物

ための監視艇も漁場の拡大にら貨物をエチオピアまで運搬する大型トラックも殆ど日本製中応じて必要だとか。ちなみに古で、なぜか日産 UD が圧倒的です。

アデン湾での海賊行為は隣の4. 背中合わせの危機と安全

プントランドの仕業で、法治〝国家〟のソマリランドではありません。

2 泊後ジブチに戻るべく、朝 9 時発のダーロ航空（D3）159
老体に鞭打ち稼働中のタグ

便に搭乗手続。アナウンスのない待合室で待つこと小 1 時間。

次に海事漁業アカデミーを大勢の乗客に交じって中古のエアバス A321 に乗り離陸。とこ訪ねると、操船訓練用簡易シろが 1 時間過ぎても着陸する気配がありません。不安になり隣ミュレーター整備の支援要請の客に聞くと「モガディシュに行く」。えーっと仰天し、映画がありました。

ブラックホーク・ダウンのシーンが脳裏をよぎりました。モガ

最後にベルベラ港湾局を訪れ、局長から開口一番「虎の子 の 1500HP タ グ ボ ー ト がディシュ空港に着陸間際、「ジブチ行きの客は機内に留まるよう
ドラム缶デッキ山積みでガソリン等を対岸のイエメンに運ぶダウ船に」とアナウンスがありやっと安堵しました。
その後 1 時間ほどして今度こそジブチに向かいました。結局直船齢 30 年を超え代替船導入

行便なら 45 分のところ三角形の 2 辺を 6 時間余りかかり、無事が急務だ」として、同港の紹到着は午後 4 時過ぎでした。

介。それによると同港は後背その 3 か月後、2016 年 2 月 2 日に驚きの海外ニュースが入り

地エチオピア向けコンテナ取ました。ダーロ航空の D3159 便がモガディシュ空港離陸 20 分

扱 量 が 2015 年 に 年 間 5 万後に爆発し、機体右側に直径 1m ほどの穴が開き、乗客 1 名が吸TEU と 急 増 中 で、 一 般 貨 物
も年間約 120 万トンを推移。

コンテナから小分けして雑貨を運ぶ
大型トラックはほぼ全て日本製

い出され、緊急に引き返し、他の乗員乗客は幸い無事とのこと。

輸入品は、雑貨、砂糖・コメ、小麦粉、パスタ・食用油、建設資材、燃料、中古自動車・部品、衣類など。一方、輸出では家畜輸出が主体で対岸のサウジ、オマーン、イエメン向けに羊を主体にヤギやラクダなど年間 400 万頭を出荷。他に皮革、スクラップ、
カート（嗜好用噛み草）等が輸出品目です。
局長は、ハルゲイサを結ぶ国道 1 号は内陸への大動脈であり、ジブチ行きのダーロ航空エアバス機

機内の様子

モガディシュ空港

爆発した機体の様子

同港からアジスアベバは 915 ㎞でジブチ港より 20 ㎞短く、エチオピア向け貨物の 3 割までカバーできる可能性があると力説。

3. 先進と後進が交雑する実態
ソマリランドは独自の政府、通貨、司法機能を有する独立国を自ら標榜

5. その後の経緯

し て い ま す が、 未
だに国際的には承やがてこの爆発は自爆テロで、穴の場所は 15K と 16K の窓

認されていません。
ソマリアの一部な側座席だと判明。同じエアバスに乗った時の筆者の席は「16J」。
支払いは全て端末処理

3 か月後に自爆テロ犯が筆者のすぐ隣の席に座ったとは・・・。

のに、確かに治安に問題はなく、電子マネーの普及は世界最先

その後ベルベラ港は、ドバイの DP ワールドが 2016 年に出資、端のレベルにあります。街中で現金を見かけることはなく、食30 年間のコンセッションでコンテナターミナルの建設計画が動事や買い物もことごとく携帯電話で決済をしています。

き出しました。併せて、老朽タグボートも 2018 年 8 月に DP ワー

驚いたことに街中を走っている車は 9 割 5 分が日本の中古車で、しかもその大半はトヨタ車。現地人らが曰く「ソマリラン
ドは〝トヨタ〟ランド。ぜひ日本で伝えてくれ」。ベルベラ港かルドにより新型に代替。国際社会の承認に向け加速すればいずれ再訪したいものです。
（海外協力部小川）

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7

SHIP

SA

FETY

JICA 課題別研修「船舶安全」
フォローアップ調査について

当センターでは、我が国が実施する政府開発援助（ODA）のル（PSC：寄港国による外国船舶の検査及び監督）の専門組織が一環として、発展途上国における船舶の安全（環境関連を含む）

全国 13 地域に創設され、マニラにその中央機関として Port

検査に関わる人的育成を支援するため、独立行政法人国際協力

State Control, Central（PSCC） が設置されました。PSCC は、機構（JICA）から「船舶安全 Ship Safety」研修コースの実施を全国の PSC 検査官の教育訓練を実施しており、その初代責任者

委託され、2000 年から 2018 年まで、第 1 期〜第 5 期コースに就任した元研修員によると、日本の教育訓練制度が参考にさを実施してきました。2019 年度からは、新たに 3 年間、第 6

れたとのことでした。

期コースの開講が予定されており、これまで、ご協力頂いた関次 の 訪 問 国 ト ン ガ で は、 研 修 員 派 遣 元 の Ministry of係の皆様に改めて感謝申し上げますと共に、引続き、宜しくおInfrastructure , Friendly Island Shipping Agency（FISA: 国営船

願い致します。

社）および元研修員が CEO（最高経営責任者）
を務める Ministry

この度、JICA 横浜では、3 月 3 日から 3 月 15 日まで、本コーof Public Enterprises（公共事業省） 等を訪問しました。

スのフォローアップ調査を実施するため、国土交通省と当センターからも調査団に加わり、フィリピン、トンガとフィジーを訪問しました（国土交通省からはフィリピンのみ訪問）。
本調査の目的は、現地における元研修員とのインタビューや現場視察を通して、現地の具体的状況・ニーズを直接把握し、今後のコース設計に反映させることにあります。調査対象国は、研修員の派遣実績と我が国の ODA 計画等を勘案のうえ決定されました。
最初の訪問国フィリピンは、ほぼ毎年、海事産業庁（MARINA）とフィリピンコーストガード（PCG）から、各 1 名の研修員をフィリピンコーストガードと調査団の面々

派遣しており、今回はマニラとセブを訪問しました。

MARINA は、IMO 関連の国際海事条約を担当する政府機関

FISA 訪問時、同社の上級船員が講師となり、船員の救命・消ですが、MARPOL 条約附属書Ⅵ（大気汚染関連）を初め、次々防訓練が実施されていました。同社は今年からトンガ国の船員に発効する国際条約への対応が遅れ、この組織の抱える懸案

教育機関の運営も担務しており、将来的にはトンガを外航船員事項として、各研修員の作成するアクションプラン（AP：各研の一大供給国に育てたいとの話でした。

修員が研修中に修得した知見をもとに帰国後の実施を企画す

最後の訪問地、フィジーは一夜のみ（トランジット）の滞在

るもの）にも掲載されていました。この度、元研修員へのインでしたが、元研修員との再会を果たし近況を確認することが出タビューを通じ、MARINA では、昨年、上記条約に加え、バ来ました。

ラスト水管理条約等の批准を実現したものの、現在、それぞれ今回のフォローアップ調査により、本研修受講者の帰国後のの部署において、条約の確実な実施のため、関係法令等の整社会的貢献、又、彼らを取り巻く現地の状況を直接把握し、本備が次なる課題として山積されていることが確認されました。

研修の有意性と研修員の受入継続を強く望む生の声を聞くこと

また、本コースでは、「内航船舶の安全」も重要なテーマとが出来ました。

して取組んでいるところ、同国における内航船の安全規則は、末筆ながら、この度のフォローアップ調査に関連して、ご対1997 年に制定されて以来手つかずとなっており、研修員の AP

応頂いた国土交通省及び JICA、他の全ての関係先の皆様に御礼にも改正の必要性が掲載されていました。しかしながら、この申し上げますとともに、本研修を受講された各研修員の更なる改正作業も、現在、最終段階にあり、今年中に、 Philippine Ship

ご活躍を期待して筆をおきます。

Safety Rules & Regulations として発効する見込みとのことです。
一方、PCG においては、昨年、ポートステートコントロー

8

SRC NEWS No.104 June 2019

（研修・技術支援室

能田卓二）

船型改良業務の紹介

そ の 後、 作 成 し た 線 図 の 性 能 を CFD に よ り 推 定 し ま す。

1. まえがき

CFD 計算により得られる推進性能と配置、その他の制限条件等

当センターでは、永年蓄積してきた船型試験の経験を造船業界に還元するため、独自に開発した船型初期設計システムである SRC Tips（Tools for Initial Planning System）や CFD 等の研究成果を利用した船型開発業務

を総合コンサルティング事業

1）室（総コン室）を窓口にして行っております。

を確認しながら後述のような線図の変更と CFD 計算を複数回繰り返し、最良の船型を決定します。
決定した船型で水槽試験を行い、実船での性能を推定し、要求性能を満たしているかを確認するとともに、EEDI を計算するための必要データを得ます。

ここでは、主力業務である水槽試験を利用した船型改良業務

START
↓

の一連の流れを事例を用いて紹介していきます。

初期計画

2. 船型開発に用いる手法
CFD↓
フレームライン評価

・SURF

↓

・NAGISA

諸性能評価
・配置
・復原性
・操縦性
・耐航性能
etc

推進性能の関係を結び付けたツールで、主要目、CP、CW カー↓
水槽試験

ブなどのパラメータを利用して、精度よくかつ効率的に船舶の↓推進性能を推定することが可能です。

END

Fig.1 船型開発の流れ

Op は Sp で使用されている性能推定法を用い、遺伝的アル

CFD の利用については、豊富な水槽試験結果とソルバーの計
算結果を比較した経験から、標準的な格子分割法、計算手法を定め、それに基づいて計算された結果と水槽試験結果の相関関係を用いて、より正確に推進性能を推定できるシステムを構築しています。

3. 船型改良
3.1 船型改良の流れ

・Tips Op

・NEPTUNE

Sp はニューラルネットワークを使用して船体パラメータと化するツールです。

・CP,CWカーブ↓

および Op（Optimize）という二つのツールです。

ゴリズムにより馬力が最小となるように船型パラメータを最適

・Tips Sp

フレームライン創生開発された RANS 法による CFD ソルバー（NEPTUNE、SURF、

SRC Tips で船型改良に主に使うのは、Sp（Ship Performance）

システム

最適化
・船首尾Proﬁe

船型改良では主に、SRC Tips と海上技術安全研究所によりNAGISA）を使用しています。

SRC 船型設計↓

3.2 初期計画
依頼者より、Type Ship となる船型（以下、原船型と記す）の情報（主要目、GA、線図、現状性能等）を入手し、同時に開発
船型の制約条件、目標性能等をご提供いただきます。
今回ご紹介する原船型の主要目比等を Fig.2 に示します。本
船型は中程度の肥大度を持つ船型です。
L/B

約 5.5

B/d

約 3.2

DW

約 48,000ton

設計 FN

約 0.175

SRC Tips 及び CFD ソルバーを利用した船型改良の流れをFig.2 概略主要目

Fig.1 に示します。この図の中で破線枠の部分が SRC Tips と原船型の主要目より、Sp で推定計算を行い、概略の馬力推CFD を表します。
SRC における船型改良では、初期計画での推進性能を Sp で定を行います（Fig.3）。この結果得られた計画速力における制動馬力を計画主機出力で除算した値は 1.03 となりました。

推定し、Op で最適化を行いながら最適な CP、CW カーブを検

この場合、原船型では推定値が 1.0 を超えており、普通の船討していきます。その後、最適な CP、CW カーブに沿う線図を型設計では計画速力の達成が難しく、計画速力の達成には 3%作成します。

程度の馬力低減が必要であることが分かります。

SRC NEWS No.104 June 20199

3.4 最適船型の線図作成
原船型と 3.3 で決定した最適 CP カーブよりラフラインを作成し、最適 CW カーブを目標にしながら線図を作成します。

3.5 線図評価
CFD を用いて線図の評価を行います。CFD 計算結果より得られる推進性能（抵抗係数、自航要素、制動馬力）と、同時に得られる船体表面圧力や船尾限界流線などの流場情報を参考に、船型改良のポイントと方向を把握します。それに基づいて船型変更を進め、再度 CFD 計算を行います。この過程を数回繰り返し、目標性能を達成する船型を作成します。
Fig.3 Tips Sp による馬力推定

3.3 最適化と船型設計以上の結果を受け、船型改良を CP,CW カーブの最適化、フレー
ムラインの改良の順で行います。

3.6 水槽試験
3.5 で得られた船型を依頼者殿に提供
し、機関室、Tank や

原船型より Op で最適化を行います。原船型の主要目と Op

Hold の 配 置、 容 積での標準 CP カーブを基準として、CP、CW カーブのパラメータ

等をチェックいただ

および船首尾プロファイルのパラメータの探索範囲を指定し、き、必要があれば 3.5

最適化を開始します。

に戻り、調整のうえ

最適化の途中経過を Fig.4 に示します。ここでは CB、CW を一定として、lCB は自由となるような制約条件の下で BHP の最Fig.5 馬力推定結果

で最終船型を決定
し、水槽試験を行います。

適化を行っています。図では遺伝的アルゴリズムを用いて初期

原 船 型 と CFD 計 算 の 馬 力 推 定 結 果 を Fig.5 に 示 し ま す。

世代を変更した 50 世代の最適化を 10 回繰り返す際の途中経

Fig.5 には水槽試験結果より得られた制動馬力も併せて示してい過が示されています。右側の 3 つの散布図は、上から CB、CW、ます。図を見ても分かるように、計画速力における水槽試験供

lCB と馬力の関係をそれぞれ示しています。個々の点はそれぞれ試船型の制動馬力は、原船型より 6% 低減されています。またの世代での最適な個体を表しており、クリックして選択するこ

計画主機出力での速力は計画値に対し +0.1kt を達成しました。

とにより、対応した CP カーブが左下の図に表示されます。
制動馬力の最適化を行っているため、CB 一定の制約条件を課

4. 付加物による推進性能改善

しているにもかかわらず、制動馬力を小さくするために CB が船型改良による推進性能の改善と合わせて、付加物の提案も小さくなってしまった個体もありますが、この中から CB、lCB

行っています 2）。主な付加物としては舵バルブ（舵のプロペラが適切な範囲内にあり、かつ制動馬力が小さい個体を選択する

シャフトセンターラインの延長線上、またはその付近にバル事が出来ます。

ブを取付ける）と船尾水平フィン（プロペラに流入する流れを遺伝的アルゴリズムによって最適化された CP カーブの中から、採用する CP カーブを決定します。

CP カーブの決定後、同様の方法で CW カーブの最適化も行い、制動馬力が最小となる CP,CW カーブを決めます。

改善して推進性能を改善させることを目的とした細長平板状のフィン）等があり、いずれも 2 〜 3% の性能改善効果があります。

5. まとめSRC で行っている船型改良業務を紹介しました。今回は平水中での船型改良を紹介しましたが、今後は波浪中性能の改善なども取り入れ、より実海域での運航条件に近い状態での船型改良を進めていきたいと考えています。

参考文献

1） SRC ニュース No.103, 2018/12
2） SRC ニュース No.91, 2012/12
Fig.4 Tips Op による Cp カーブの最適化

10 SRC NEWS No.104 June 2019

（試験センター技術部計測課 橋本 尚樹）

造船設計ノート
高速艇の復原性と安定性（4）はじめに

1. 理論計算による検討基礎式と数値計算について

これまでこのノートで高速艇の復原性と安定性を例に挙げ

ここでは、モノハル型の半滑走型高速艇を対象として、船底て、ルールや規則通りには理解できない現象が生じることにつに作用する動的圧力に着目し、理論計算によって横不安定現象

いて紹介してきた。私が後に続く若手に言いたいのは、目前のの発生メカニズムを解明することを試みる。半滑走型高速艇の業務に追われるばかりでなくその業務を俯瞰して世の中のニー

場合、滑走艇を対象とした理論や薄い船の理論は適用が困難でズをキャッチしてその本質に触れることを常に心がけてもらいあるから、ここでは、幅も喫水も共に長さに比べて小さいと考たいということである。そうすることで疑問や問題が見えてく

えて Neumann-Kelvin 近似の関連性に基礎をおいた丸尾による

るし、次のステップとしてやるべきことが見えてくると思うの

細長船の理論［1］［2］を適用することにする。この理論の利点は、である。須らく自己の持つポテンシャル以上の風景は想像でき未知数を求める際に、考える断面より後方の影響を考慮せずにても見ることができないが、それ以下はその程度を含め手に取済むことである。また、横不安定現象は、ヒールおよびヨーイるように見えるのである。外国人と接する機会が増えたこの頃ング運動に加えて、船速変化による浮上量およびトリム角の変では人に接する時にもいつもこのことを自覚して教養を深めて化を含む時々刻々と姿勢が変化する現象であるが、それらすべリテラシーを磨き、あらゆる面で自己のポテンシャルのチェッてを数値計算によって考慮するのは非常に難しい。

クをしておきたいものである。

そこで、船速、浮上量、トリム角およびヒール角を一定とす

船舶の設計の本質は、世の中のあらゆる技術や製品を駆使しる条件の下で問題を扱うことにする。まず、船速に対する浮上て社会のニーズに応えることのできるシステムをまとめ上げる

量、トリム角および境界条件を満たす吹き出しを求め、その速ことに尽きるといってもいいかと思う。そのためには常に世の度ポテンシャルから船体表面上の動的圧力、ヒールモーメント中の情報に敏感でなければならない。

およびヨーイングモーメントを計算する。さらに、船速および本稿において「はじめに」が長すぎるという声も聞くので、ヒール角に対する流体力の傾向を検討し、横不安定現象にいた

今回は航送時の不安定性を生じるメカニズムについて考えるこるメカニズムを解明する。実際の計算を実施するに際してはことにして一区切りとしたい。

の理論に従って計算手法が展開された報告［3］があるのでこの

前回では高速航行時の横安定性に着目し、高速艇として代表的なハードチャインを有するモノハル型の船型をモデルとして水槽試験によって横不安定が生じる条件を探り、モデル船型に対する実験的検証データを得た上での検証について紹介した。

手法を基本的に適用して計算することにする［4］［5］。但し、本稿は設計ノートであるので計算手法の詳細は省く。

2. 数値計算例および考察

しかし、発生メカニズムについては、まだ不明な点が多く、実上記の方法によって、航走時の浮上量、重心まわりのトリム

際の設計に際して汎用的に船体形状との相関についてもまだ検角およびヒール角を一定とする条件のもとで数値計算を行う。

討すべき余地が多く残されている。今回は、前回までに紹介しまた、浮上量、トリム角等について模型試験の計測値がある場たデータを基にして、船底に作用する動的圧力に着目し、横不合は、それらをそのまま使うことにする。流体力の計算におい安定現象の発生メカニズムを解明するため理論計算による検討ては、一旦静水面下の圧力分布を求めた後、船側波形の変化にを試みてみよう。その結果に基づいて、設計段階において高速

よって水面上に出た部分の圧力を除いている。静水面より上の航行時の横安定性についてどう対処すればいいのか、判定方法

浸水部およびスプレーの影響および航走時の姿勢のバランスはなどを探り、さらには不安定現象が予測される船型に対して船考慮していない。また、数値計算においては、船体の分割を長型の改良設計法を考えてみることにする。

さ方向に 120 等分、横断面の外周にそって 40 等分している。
なお、本計算で対象とした高速船の主要目と船型は前回までのこのノートで使用した母船型と同一である。座標系および、各力およびモーメントの正方向を Fig.1 に示す。

SRC NEWS No.104 June 201911

実験は、スウェイおよびヨーのみを拘束して、船速に対するヒール角変化を計測したものである。ヒール角変化は船速の増加にともなって大きくなり、Fn=0.6 付近から急増している。実験と比較する計算は、船速変化にともなう姿勢変化を考
慮して、ここでは、模型試験で得られた速力に対応するトリム
角と船体の浮上量の値を用いて行っている。但し、ヒール角は
Φ=4 deg. とした。
計算によるヒールモーメントは、船速の増加にともなって増加する傾向にあり、Fn=0.6 付近を越えるとヒールを増す向きにヒールモーメントが作用することがわかった。これら実験と計算の結果は、姿勢の条件が異なるため直接比較することはできないが、数値計算によるヒールモーメントは船速とともに増加しており、この傾向は、実験のヒール角変化の増加に対応す
るものと考えることができる。Fig.3、Fig.4 に Fn=0.43 および Fn=0.96 の船底における動的圧力分布を示す。

Fig.1 座標系と各部モーメント

ここでは、前回述べた水槽試験結果をもとに、可能な限り同じ条件で計算を行ない、両者を比較し船底圧力の及ぼす影響を調べてみる。ただし、ここでの GM の値は模型試験において著しい横不安定現象が起こった時のものである。

Fig.3 船底圧力の分布（Fn=0.43, φ =4）

横断面 S.S.1、3、5、7、9 における船底の動的圧力の法線成

まず、船速の変化が横安定性に及ぼす影響を調べるため、ヒー分を高さで表している。Fn=0.43 の場合、船長方向に比較的

ル角変化の実験結果とヒールモーメントの計算結果を Fig.2 に短いスパンで正と負の動的圧力が混在していることがわかる。

示す。

それらが互いに打ち消しあっているために、全体として大きなヒールモーメントは作用しないものと考えられる。

Fig.4 船底圧力の分布（Fn=0.96, φ =4）

Fn=0.96 の場合、船体前半部で主に正の動的圧力が右舷側に偏り、船体中央部から後半部にかけて負の動的圧力がやや右舷側に偏って作用していることがわかる。このように高速時には、動的圧力分布が前後で偏っていることと高速船の船型が船体前方で比較的大きなデッドライズ角を持ち、船体後方で比較
Fig.2 計測されたヒール角と計算値

12 SRC NEWS No.104 June 2019

的小さなデッドライズ角を持つことを考えると、重心が高い場

合には、全体としてヒールモーメントの絶対値も大きくなりや
すいものと考えられる。さらに、船速が大きいため流体力としては大きな影響を及ぼしていると思われる。
次に、右舷へのヒール角の変化が復原性に及ぼす影響を調べるため、Fn=0.96 と Fn=0.72 におけるヒール角に対するヒールモーメントの実験と計算の結果を Fig.5 に示す。

Fig.7 船底圧力の分布（Fn=0.43, φ =12）

続いて、同様な条件で、ヒール角の変化がヨーイング運動に及ぼす影響を調べるため、ヒール角に対するヨーイングモーメ
ントの実験と計算した結果を Fig.8 に示す。計算結果は、実験結果と若干の開きがみられるが、右ヒールに対して、左ヨーイ
ングモーメントが生じることが示されている。

Fig.5 ヒールモーメントの計測値との比較

計算結果は、実験結果と比較すると、良い一致を示しており、ヒール角 Φ の増加にともないヒールモーメントが増加しており、ヒール角をさらに増加させて転覆に至る方向のモーメントが生じる傾向を把握できることがわかった。
従って、高速域では、いったん傾くと、さらにヒール角を増す向きに動的圧力分布が変化し、より横不安定な状態へ移りやすいものと考えられる。

Fig.6、Fig.7 に右舷へのヒール角 Φ が 0 deg. および 12 deg.
での動的圧力分布を示す。Φ=0 deg. の場合、主に船体前部で正の動的圧力、船体後部で負の動的圧力が作用しており、水面Fig.8 ヨーイングモーメントの計測値との比較

近くで動的圧力の絶対値が大きいことがわかる。Φ=12 deg.

さらに、船体形状と横安定性の相関を調べるために、排水量の場合、船体前部で正の動的圧力が右舷側に、船体後部で負のを一定のまま船体後部形状を変化させた場合の影響について

動的圧力が右舷側に偏っていることがわかった。

検討する。Fig.9 の左図に、Original（ 供試模型船）、Type A、Type B の 3 つの船型の船体中央部および船尾部断面形状を示す。Type A および Type B の水線面積係数 Cw は Original と等
しくしてある。Type A は、船体中央部から船尾部まで船底面の捻れ（warp）を小さくした船型であり、Type B は、船体中央部から船尾部まで船底面の捻れを大きくした船型である。船底面の捻れは、キールの高さを船尾へ向かうにつれて高くするとともに、チャインの高さを船尾へ向かうにつれて低くすることによってつけている。
参考として、同じく Fig.9 右図に船底面の捻れの有無によ
Fig.6 船底圧力の分布（Fn=0.96, φ =0）る船底形状の相違を図示している。これらの船型について、

Fn=0.96 におけるヒール角に対するヒールモーメント Mx とヨーイングモーメント Mz の計算結果を Fig.10 左図に示す。実

SRC NEWS No.104 June 201913

線、一点鎖線および破線は、それぞれ Original、Type A および舷側に正圧が偏り、船体後半部で右舷側に負圧が片寄って作用Type B を表している。Mx については、捻れのある Type B の方が、している。捻れのある Type B は、捻れのない Type A と比べて捻れのない Type A よりも大きな値となる。つまり、捻れのあ

船体後半部右舷側でやや大きな負圧が作用しており、船尾左舷る船型のほうが横不安定であることがわかる。Mz については、側でやや大きな正圧が作用している。

船型による違いはわずかである。

Fig.9 Type A,B の中央 & 船尾断面の比較および捩じれの有無

Fig.11 Type A,B の船底圧力分布

次 に、 排 水 量 を 一 定 の ま ま 水 線 面 積 係 数 を 小 さ く し た 場合について、船体形状の変化の影響を検討する。Fig.12 に、Original、Type C、Type D の 3 つの船型の船体中央部および船尾部断面形状を示す。

Fig.12 Type C,D の中央 & 船尾断面
Fig.10 Type A,B ヒールモーメントとヨーイングモーメント（左図）
Mx に寄与する静圧および動圧による成分（右図）

Type C は、船体後半部の捻れを小さくした船型であり、Type
D は、船体後半部の捻れを大きくした船型である。Type C お

さらに、この船体形状の変化が Mx に及ぼす影響を調べるた

よび Type D の水線面積係数 Cw は Original より約 7% 小さく

め、Mx に寄与する静圧および動圧による成分を Fig.10 右図にしてある。これらの船型について、Fn=0.96 におけるヒール示す。静圧の影響に関しては、捻れのある Type B の方が、捻角に対するヒールモーメント Mx とヨーイングモーメント Mz

れのない Type A よりも安定側（負）の傾向を示していることがの計算結果を Fig.13 左図に示す。実線、一点鎖線および破線わかる。しかしながら、動圧の影響に関しては、捻れのあるは、それぞれ Original、Type C および Type D を表している。

Type B の方が、大きな Mx の値をとっており、不安定な傾向を

Mx についても、Mz についても両者とも大きな値をとっており、示していることがわかる。船型の違いと動圧によるヒールモー

結果としては Original に比較してより安定した傾向となってメントの相関をさらに詳しく調べるため、Type A および Typeいる。

B の横断面 S.S.1、3、5、7、9 における動圧分布を Fig.11 に示す。
動圧分布は、船底の動圧の法線成分を高さで表したものであ

さらに、この船体形状の変化が Mx に及ぼす影響を調べるた
め、Mx に寄与する静圧および動圧による成分を Fig.13 右図に示す。

る。船体表面を押す向きを下向き、引っ張る向きを上向きとしType C および Type D は Original よりも Cw が小さいために、て表現している。動圧分布をみると、両者とも船体前半部で右静圧の影響で Mx がかなり大きな値を示す結果となっている。

14 SRC NEWS No.104 June 2019

安定性に寄与するものと思われる。
ここまでで、船体後部船底面の捻れと水線面積係数 Cw の変化が横安定性に及ぼす影響を検討した。補足計算による結果を加えてそれらの関係を Fig.15 に図示する。

Fig.13 Type C,D ヒールモーメントとヨーイングモーメント（左図）
Mx に寄与する静圧および動圧による成分（右図）

Fig.15 船底捩じれの有無による差違

横軸に Original 船型に対する計算対象船の水線面積の増加

それに対して、動圧の影響に関しては、Type C と Type D は率、C w/Cw-1 をとり、縦軸に Fn=0.96、Ф=12 におけるヒー他の 2 船型に比べて安定側（負）の値をとっている。また、動ルモーメント Mx の値を示す。図中の▼印は動圧による Mx の圧については、Cw が小さい場合でも、船体後部で捻れのある成分であり、破線が捻れのある船型、実線が捻れのない船型のType D の方が、船体後部で捻れのない Type C よりも不安定な結果を表している。ただし、図中の O、A、B、C、D は、そ傾向を示すことがわかる。このように、Cw を小さくすることは、れぞれ供試模型船および Type A、B、C、D の計算結果である。

静圧による Mx を増大させるのに対して、動圧による Mx を減動圧による Mx は、船底面の捻れの程度によって傾向が異なる

少させることがわかる。

ことがわかる。

船型の違いと動圧によるヒールモーメントの相関をさらに詳

捻れが小さい船型は、C w/Cw-1~0 でほぼ横ばいであるのしく調べるため、Type C および Type D の横断面 S.S.1、3、5、に対し、捻れが大きい船型は、捻れが小さい船型よりも大きな

7、9 における動圧分布を Fig.14 に示す。捻れのある Type D は、

Mx を示しており、より横不安定な傾向であることがわかる。

捻れのない Type C と比べて船体後部において、やや大きな負また、本計算で対象とした船速では、Mx は右上がりであり、圧が作用している。

水線面積が大きくなるとともに横不安定な傾向を示している。
つまり、船速が小さい時に横安定であっても、船速を大きくしていった場合に、動圧による影響が顕著に現れ、横不安定現象が生じやすくなることが考えられる。
以上の結果として、横不安定現象に関して次のことが言える。

（まとめ）

1.

船速が大きい時に発生しやすいのは、低速時に混在していた正の圧力と負の圧力が、高速時には船長方向に偏って分布するためである。すなわち、ある船速以上では、
動的圧力分布は、ヒールを復原させる向きよりも増加させる向きに偏り、全体としてヒールモーメントが増加するためである。

Fig.14 Type C,D の船底圧力分布2.

ヒールが生じるのは、船体前部で正の圧力分布が、船体

このように、動圧については、水線面積 Cw を小さくするこ

後部で負の圧力分布がヒールした側に偏り、ヒールモーとは、船体後部の船幅が小さくなることによって、負圧によるメントが作用するためである。すなわち、船底に作用す

ヒールモーメントのレバーを小さくするために、全体として横る動的圧力分布のアンバランスによって、ヒールを増加

SRC NEWS No.104 June 201915

させる向きにヒールモーメントが作用するためである。

3.

ヨーイング運動が生じるのは、ヒール角が生じると、右（左）ヒールに対して船体前部で左（右）舷向き、船体後部で右（左）舷向きの圧力が作用するためである。すな
わち、ヒール角が生じると、横力分布が長さ方向に変化
し、右（左）ヒールに対して左（右）ヨーイングモーメン
トが作用するためであることが示された。

4.

船尾へ向かってデッドライズ角を小さくすることは、
ヒールモーメントを大きくする傾向がある。すなわち、船底面の捻れは、横安定性を減少させる傾向がある。

5.

水線面積係数 Cw の増加は、動圧による横安定性を減少させる傾向がある。

この種の高速艇の横安定性については、十分な静復原力を確保するとともに、動圧が横安定性に及ぼす影響を考慮しておくことが重要である。また、プロペラ等の付加スペースを確保するためなどの目的のために、船底面に捻れをつけた場合には同時に横安定性に及ぼす影響を考慮しておかねばならない。従ってこの理論検討結果を基に航走時の横安定性を判定することがFig.16 航走時横不安定判定フロー可能になりまた、不安定となる船型の改良方法について目処をここでもし、Mx<0 となり安定であるという結果が得られた

つけることができる。前回紹介した海外での研究成果を参照す

場合でも、Mx が 0（ゼロ）に近い場合は、実際の運航に際してることも含めて設計段階でチェックしておくことが大切である。

速力が増加したり、GM が減少する可能性があることを考慮す

3. 航走時横安定性の判定方法と船底形状の改良設計法

れば、場合によって不安定になる可能性がある事を示していることになる。
従って、そういう場合には更に計算点を追加して、同一船型以上について理論計算によって横不安定現象の発生を予測すにおいて速力、および GM を変化させた場合のヒール角の変化ることが可能となり、かつ横不安定現象が生じる場合、他の条の度合いを総合的にチェックできれば設計を進める上で有効な件を一定にしたまま、船底の船型を変更することで改良するこ手段となる。

とが可能となった。

そこで例としてこのノートでの検討に使用した母船型に対して

従って実用的な設計に際して、航走時の横不安定現象発生を

速力、および GM を変化させた場合の計算結果を模型試験で得判定する方法として以上の結果をまとめると次のようになる。

られた計測結果と共に Fig.17 に示す。ここでΔ Φ は Mx<0 とな

まず設計点において、横不安定現象が発生するかどうかを推る Φ を示しこれ以上の傾斜角では安定であることを示している。

定するためには、計算によって Mx の値をチェックすることが必要となる。
即ち、計算に必要な入力データと判定クライテリアについては次のようになる。
（入力データ）ラインズデータ、速力、GM、初期傾斜角（判定クライテリア）

Mx：ヒーリングモーメント……………Mx<0 であれば安定（船長方向（動的）圧力の積分値×レバー）
パラメータ：速力

Fig.17 GM の変化による船速 Fn とヒール角以上をフローチャートにまとめると Fig.16 のようになる。

この結果を総合的に検討して速力、GM が変化した場合にヒーすなわち、Mx の値を計算することによって設計点での横不ル角がどの程度変化するかを見極めて最適な設計を進めていく

安定現象の発生の有無が推定可能となる。

16 SRC NEWS No.104 June 2019

ことが可能となる。なお、模型試験では実施できなかったより

高速域について計算結果を見ると、ある高速域を超えるとヒー

一方、先頃海運・造船の若手幹部候補生を前に未来に対する

ル角の変化は寧ろ徐々に減少し安定の方向になる結果が得られ開発の要点、心構えについて話す機会に恵まれた。次回は、開た。この理由は、高速になっていわゆる滑走域に近づくに連れ、

発の手法、要点、心構えなどについて記してみたいと思ってい

特に船尾側の船底圧力のアンバランス分布がより船尾側にずれる。つたない経験であるが、個人的には比較的小型の船を手掛てくることによって安定性が増すためと考えられる。すなわち、けることが多かったせいか、白紙の状態から製品を開発して実正の動圧の領域が船尾側に移り、船尾の負の動圧が小さくなっ

現するいわゆる設計上の未経験ゾーン、アウターポレーションて結果としてヒールモーメントが小さくなるものと考えられる。

ゾーンでの業務に多く恵まれたようである。皆さんにとって身一 方、Mx ≧ 0 と な り 不 安 定 で あ る と い う 結 果 が 得 ら れ、近なものでは、熱海―大島航路や青函航路の時間を半分にしてGM を増大させることが難しい場合の次の手としては、前章ま欲しいとか、当時 3 隻で不定期時刻に発着していた東京−苫小での研究成果を生かして次のように船底形状を改良することで牧の RoRo 船の航路を 2 隻で毎日定時発着にして欲しいとか、安定性を改善させることができる。

北海道の流氷中に航行可能な砕氷観光船が欲しいとか言ったも

すなわち、

のでいずれも一部の性能だけの達成では要求に合致できる船舶

・船体中央部より船尾側の船底ラインズの捩れを小さくするとしての実例は周囲には存在しなかった。小さな事例ではある（船尾に向かって船底デッドライズ角の変化度合いを小さくが、白紙の状態から顧客と社会のニーズに応える回答を見つけしていく）

る道程は開発そのものの本質を踏まえないとできないもので・Cw を小さくする
ことが考えられる。

あったのでその経験から得たものを述べることで何らかの役に立てばと願っている。

この方法によれば、未だ設計段階にある船については大幅な要求仕様の見直しをすることなく、すなわち、速力や、GM な

参考文献：

どの条件を固定したままで、安定性を増加させる船底形状の改［1］Hajime Maruo, New approach to the theory of slender ships

良設計が可能となる。
なお、既に出来上がった船に対して改良する方法としては、

with forward velocity ,Bulletin of the Faculty of Engineering,
Yokohama National Univ., Vol.31,（1982）,pp.85-100

前述のリアクションフラップの装備とチャインの幅を広げ、没［2］丸尾孟、池畑光尚、滝沢康、升也利一、 細長体近似による船

水長さを長くする方法、およびウェッジ（トリムタブ）を装備

体波紋の計算 、日本造船学会論文集 }、第 154 号、（1983）、する方法などが考えられるが、その効果を定量化するにはさら

pp.9-16なる研究が必要である。

おわりに以上、どちらかといえば読者の皆さんにはなじみの薄い高速［3］宋五生、池畑光尚、鈴木和夫、 細長体近似による船の造波抵
抗と波紋の計算 、関西造船協会誌 }、第 209 号、（1988）、

pp.25-36［4］茨木洋、貴島勝郎、鷲尾祐秀、 高速船の横不安定現象に艇の、しかも安定性などについて紹介してきたが、この問題つ関する研究 、西部造船会会報第 91 号、平成 8 年 3 月

いては今回で一区切りとしたい。要は、対象がどんな船でも、［5］鷲尾祐秀、茨木 洋、貴島勝郎、 高速船の横不安定現象に関また船でなくとも問題解決の手法にそう変わりはないというこする研究（続報） 、西部造船会会報第 94 号、平成 9 年 8 月とである。仕事とは、人生とは問題解決の連続であり、何事に［6］Katsuro Kijima, Hiroshi Ibaraki, Yushu Washio, Study On the

も目を背けず事の本質を見つめていけばおのずと見えてくるもTransverse Instability of a High-Speed Craft ,2nd Workshopのがある。教科書や規則を含めて教えてくれるものの中にも未on Stability and Operational Safety of Ships,1996.11.

解決の問題が多々ある。そういうことについてこのノートで紹［7］Yushu Washio, Katsuro Kijima, Tetsuo Nagamatsu, An

介してきたが、少しでも心に留めて頂けるものが見つかれば幸

Experimental Study on the Improvement of Transverse

いである。また高速艇についていえば、携わっている人も少な

Stability at Running for High-Speed Craft , 4th International

く、先達が示してくれた設計手法にしてもその考え方すら記録

Stability Workshop, St. Johnʼs, Newfoundland, Canada, 27-にもなく忘れ去られていく現実がある。高速艇については世の29 Sept.1998

動きにつれて構造設計についても規則の改正の動きがあり、私もお手伝いする場面もあったが、元々の考え方を含め記述され（技術顧問兼総合コンサルティング事業室長

鷲尾

祐秀）

たものを探すのも一苦労である。読者からの要望があれば本ノートの一環として後日紹介できればと思っている。

SRC NEWS No.104 June 201917

次世代流体シミュレーション
技術のご紹介中にもファンがあり、あらゆるところで流体設計は必須となっ

1. はじめにてきます。

流体シミュレーションは船舶分野でも 1990 年代に盛んに研水や空気の流れには層流と乱流があって、それぞれ違う特徴

究されおり、当時は近い将来、水槽試験が不要になると言われを持っています。図 1 のように層流は綺麗に整った流れで、乱ていました。しかしながら、2000 年以降も水槽試験は船型設

流は読んで字のごとく乱れた流れです。流れの速度が遅いとス計において重要な役割を担うことになり、数値計算で水槽試験

ムーズに流れますが、速度が速くなると整いきれずに乱れた流の置き換えることは当分の間、不可能であると考えられるに至れとなります。世の中の流体現象の多くは乱流になっており、りました。

船舶周りの流れも乱流です。乱流は図 2 のように様々な大きさ

一方で、本研究プロジェクトを開始した 2011 年には東日の渦が影響しあっていますから、その構造は非常に複雑です。

本大震災により一時的に水槽が使えなくなりました。また、

しかしながら、平板や管路内など基本的な流場では平均的な流EEDI を強制化する MARPOL 条約の改正で、今後水槽試験の速分布が分かっています。数値計算を使ったシミュレーション

需要はさらに増えて行くと予想され、我々としては何らかのでは一つ一つの微細な渦を再現するより、この平均化した流対応策を考えなければならない時期でもありました。そのよれを利用した方が楽なので Reynolds-averaged Navier-Stokes

うな中で、SRC では水槽試験の代替を目的とした高精度シミュ（RANS）法と呼ばれる手法を用いるのが一般的です。ただし、レーション技術の開発プロジェクトを東京大学生産技術研究

RANS を船舶周りの複雑な流れに適用するには乱流モデルの所の加藤千幸教授との共同研究で開始しました。SRC News

チューニングが必要となります。このチューニングには船型ごでは 2012 年に抵抗試験に相当する計算結果をご紹介し［1］、とに水槽試験が必要となるため、水槽試験を完全に代替するこ2013 年には自航試験に相当する計算ができる目処がついたことはできないことが分かりました。1990 年代の船舶 CFD 研究とをお伝えしました［2］。この研究では計算ツールの開発と者たちが考えていた水槽試験の完全代替という目標は、2000

共に、ツールの検証として SRC で実施した抵抗・自航試験と年以降に数値計算と水槽試験が役割分担をして共存共栄する方の比較を 6 隻について完了しました。本報の最後にはこの技

向に方針転換されました。

術の使い方についてもご紹介いたしますが、その前に少し背一方で、一つ一つの渦を忠実に再現する、乱流モデルが不要な数値計算手法として Direct Numerical Simulation（DNS）と景を整理いたします。

いう手法があります。この手法を使えば、水槽試験の完全代替

2. 乱流についてという目標は達成できる可能性があります。ただし、このシミュ

多くの工業製品には流体設計が必要です。飛行機、自動車、

レーションには膨大な計算能力が必要で、世界最高峰のスパ

バイク、船舶はもちろん、発電所のタービンなど様々なプラン

コンを使っても今後しばらくの間、船体周りの計算は出来ませ

トや身近なところでは洗濯機、エアコン、扇風機、パソコンのん。DNS より必要な計算能力が少しだけ小さく、DNS と同程

図1

層流と乱流の違い

18 SRC NEWS No.104 June 2019

図2

平板流れにおける乱流境界層［3］図3自由表面計算（KCS）

図 4 自航計算（KVLCC2）（上：船体表面の渦度分布、下船体表面：圧力分布、下船体中心断面：主流方向の流速分布）

度の予測精度が得られる手法として Wall-resolved Large Eddyが得られるため、ピンポイントで効率的に船型改良が行えるな

Simulation（WRLES）と呼ばれる手法があります。この WRLES

ど、シミュレーションの利点をフルに発揮できます。つまり、にも膨大な計算能力が必要ですが、SRC では理化学研究所の設計者の直感力を有効に使い、船型設計における試行錯誤を減スーパーコンピュータ「京」を使って 2011 年に検証を開始しらすことができるのです。活用方法は無限大ですが、これからました。

いくつかの例をご紹介します。

3. 研究開発の成果

これまでの船型設計の手順は図 5 のようになっていました。
まず、過去の実績やデータベースなどから初期検討を行いま2013 年に我々は解像すべき最小の渦を 10 × 10 × 10 点のす。SRC で開発している、SRC Tips を使えば数百万ケースの計算格子で再現するよう設計された、320 億点の計算格子を検討も 5 分程度で行うことが出来ます。次に RANS を使った

使って 10 ペタ・フロップスの「京」の 4 割程度を 2、3 日間使っ計算を行い、回流水槽試験や曳航水槽試験で船型を絞って行て WRLES の計算ができることを証明しました［4］。

きます。本高精度シミュレーション技術を使えば、図 6 に示

その後、2015 年には図 3 のような乱流境界層の直接計算とすように、回流水槽を置き換えることができ、さらには曳航

自由表面を同時に考慮した計算も精度良く実施できるようにな

水槽試験の回数を減らすなど、トータルコスト減を狙うことり、造波抵抗も含めた全抵抗値が実験と 1% 程度の差で予測でもできます。

きることを確認しました。
また、2018 年には図 4 のような自航計算も精度良く実施できるようになり、スラスト減少係数、有効伴流係数、船後プロペラ効率比が実験と 1% 以下の差で予測できることを確認しました。この高精度シミュレーションツールの主要な開発は概ね

図 5 実験主体の設計手法（シミュレーションは補助的役割）

終了し、検証にも成功したので、現在は実用化に向けた活動を行なっています。

4. 活用方法

図6

シミュレーション主体の設計手法（実験は最終確認のみ）

これまでの船型設計では、実船に必要な馬力を求めるために、曳航水槽試験を使ってきました。しかし、曳航水槽試験では水の中を見ることが難しいため、船型設計には熟練された経験と勘、さらには高度な船舶流体力学の知識が必要でした。我々の図7

完全なデジタル設計手法開発した高精度・高信頼性シミュレーション技術を使えば水の中を見ながら船舶の船型設計ができます。船体表面の圧力の変化と流速の変化を同時に見ることにより、船体周りの流場の理解が深まります。また、船体周りのすべての場所での流場情報

図8

実船の直接設計手法

SRC NEWS No.104 June 201919

しかしながら、ここで最も重要な違いは、「実験主体の船型設

参考文献

計法」から「シミュレーション主体の船型設計法」になることで［1］西川、境界層を完全に解像したラージエディーシミュレーショす。シミュレーション主体になれば何が良いかというと、例えンの船舶への適用、SRC News, No.90, pp.6-7, 2012 年 6 月

ば模型船スケールで設計した最適船型は実船でいつも最適な形［2］西川 , 京コンピュータを使った船舶推進性能推定について、状となっている保証はありません。模型試験のように基本的にSRC News, No.92, pp.8-9, 2013 年 6 月

力だけを見て判断する場合には特に注意が必要です。本高精度・［3］種子田定俊、画像から学ぶ流体力学、朝倉書店、1988 年

高信頼性シミュレーションでは流体力学的メカニズムを把握し［4］Nishikawa, T., Yamade, Y., Sakuma, M., Kato, C., "Fully

ながら設計できるため、模型船と実船での逆転現象に繋がる過resolved large eddy simulation as an alternative to towing

剰な最適化を意識的に回避することができます。このような使tank resistance tests – 32 billion cells computation on K

い方は、最近、盛んに開発が行われている省エネ付加物などに

computer", 16th Numerical Towing Tank Symp.（NuTTS）,

は特に有効です。

Mülheim, 2013 年 9 月

近い将来、計算機の価格が低下すれば曳航水槽試験と同じ大型模型相当の計算が曳航水槽試験と同程度な費用で実施できるようになります。
「京」の利活用で得た経験から 1 ペタ・フロッ
プスのスパコンを占有できれば、8 から 12 日で 1 隻分の計算が可能で、抵抗・自航状態各 3 フルード数ワンセットでも約 1 ヶ月で実施できることが分かっています。民間企業や研究所が導入できる計算機の性能も 1 ペタ・フロップスに到達しつつあります。EEDI 予備認証の条件をクリアすることができれば、図 7に示すような完全なシミュレーションだけのデジタル設計も夢ではありません。
また、東大 /SRC では実船スケールの高精度シミュレーショ
ン技術の開発にも取り組んでいます。この開発には WRLES の計算結果を検証用データとして使うことができるため、高精度な技術開発が期待できます。これが実現すれば、これまで蓄積してきた模型船スケールでの流場の知見はもはや意味がなくな
り、図 8 で示すように実船の最適船型を直接検討することがごく当たり前な世界がやってきます。SRC ではこれに加えて多目的最適化、ビッグデータ、人工知能、深層学習の技術を取り入れ、
常に最先端のデジタル設計環境をご提供できるよう努めて参ります。
この次世代シミュレーション技術の最大の利点は、船体周りの流場情報を通常の設計に使えるという点です。流体力学的なメカニズムの把握によって、失敗のない設計、効率的な設計、設計者の直感力の育成にも役だつことでしょう。この船型設計技術はまだ SRC 以外にはありません。競争力強化のために新しい時代のノウハウをいち早く取り込むお手伝いをさせて頂きます。受託解析、共同研究、船型開発、省エネデバイス開発、

RANS の乱流モデルのチューニング、その他、水槽試験法の高度化のためのバックデータの取得などのご要望を承っています。詳しい技術情報や、価格などはお気軽にお問い合わせください。

20 SRC NEWS No.104 June 2019

（技術開発部

技術企画課

西川

達雄）

造船業におけるレーザ・アークハイブリッド
厚板溶接法に係る共同研究について（その 7）（最終回）
1. はじめに

2. 研究結果概要

レーザ・アークハイブリッド溶接法の実用化に向けた課題を（1）溶接装置修理終了後に実施した研究の主な成果解決することを目的とした本研究は、造船現場の溶接工数を削（平成 29 年度延長分）

減するための方策として有効であり、当センターの総合コンサ

溶接装置修理終了後、本研究の最終試験項目である以下の実

ルティング事業を通じて業界に裨益するものとして当センター

証試験を実施しました。

は積極的に取り組んでおり、国交省の推進する「海事産業の生①ハイブリッド溶接を用いた長尺（溶接長 5.0m）の片側完産性革命（i-Shipping）による造船の輸出拡大と地方創生のための推進すべき取り組みについて」（平成 28 年 4 月 5 日答申）が目指す方向にも合致しています。

全溶込み T 継手の製作実証試験（イ）トラッキング装置不使用の場合は、長尺の T 継手が上手く製作できないことが分かりました。その理由は、溶接中

当センターでは、平成 26 年度より、一般財団法人日本船舶

入熱によってギャップが変動しますが、それに応じてレー技術研究協会、国立大学法人九州大学、国立研究開発法人海上・

ザパワーの調整ができないためです（ギャップが小さいと港湾・航空技術研究所、一般財団法人日本海事協会、愛知産業

貫通力を出すためにより多くのレーザパワーを必要とす

株式会社、ジャパンマリンユナイテッド株式会社、株式会社名るなど、ギャップに応じてレーザパワーを調整する必要

村造船所、三井造船株式会社、三菱重工海洋鉄鋼株式会社ととがあります）。

もに共同研究を実施してきました。本研究は、平成 26 年度お（ロ）トラッキング装置使用の場合は、ギャップ幅の検知とこれよび平成 27 年度においてその基礎的技術に関する研究は終了に応じたレーザパワー制御が問題なく動作し、T 継手をし、一定の成果を得たところです。その後、当センターにおい製作できることが分かりました。また、実験の際、最終ては、実用化の段階に一層近い研究を平成 28 年度および平成

端の仮付け溶接が外れて縦板が 15mm 程大きく横に反29 年度の 2 か年の予定で、前記の参加者に加えて JFE スチー

れることがありましたが、この場合もトラッキング装置

ル株式会社、前田工業株式会社、今治造船株式会社、常石造の溶接線に追従する機能が働き、問題なく溶接できるこ船株式会社の参加も得て実施してきましたが、平成 29 年末にとが確認されました。

溶接装置の一部が壊れるというトラブルがあり、終了予定を 6（ハ）以上より、ハイブリッド溶接の最適溶接条件（必要な機か月延長し、平成 30 年 9 月末まで研究を行いました。本号で材、板厚、溶接長、溶接ワイヤ、レーザパワー、アーク溶

は、前号で紹介できなかった延長後の研究を中心に概要を報告

接の電圧・電流等）及びトラッキング装置を用いれば、長尺します。

の片側完全溶込み T 継手の製作は可能になるとの目処は得られたと考えます。
（ニ）なお、ハイブリッド溶接を行うための装置システムにおいて、レーザパワーの漸減や熱レンズ効果に起因するレーザ
焦点シフトが発生し、5m の連続溶接施工が出来ませんでした（そのため、5m 体の製作は、溶接長 3m の施工後一旦休止した後に 2m を溶接する等の方法を用いました）。今後、各造船所においてハイブリッド溶接を採用する場合、各社において、導入するハイブリッド溶接の装置システムの性能、特性等を踏まえ、溶接条件の設定と同溶接条件に応じ
図1

ハイブリッド溶接装置溶接部近傍た同システムのチューニングを行う必要がありますが、今回の実験によってその際、予め想定すべき項目（レーザパワーの漸減及び熱レンズ効果）を見出すことができました。

SRC NEWS No.104 June 201921

ザパワー漸減の問題は九州大学のレーザ発振器特有の特性であり、一般的な特性で無い可能性もあります。今後、造船会社がレーザ発振器の仕様を定める場合、長時間におけるレーザ出力の安定性をその性能要件に含めるべきと考えられます。

②熱レンズ効果への対策
熱レンズ効果への対策は、レーザ焦点シフトの特性を調べて、レーザ焦点シフトが一定になってから溶接を実行するこ
図2

片側完全溶込み T 溶接の様子②ハイブリッド溶接を用いた長尺（溶接長 5.0m）の突合せ
継手の製作実証試験（イ）レーザ出力の減衰や熱レンズ効果に起因するレーザ焦点シ
フト等の影響により 5m の連続溶接施工を行わず、溶接とや熱レンズ効果の発生が小さいレーザヘッド（現在製品化されている）を使用すること等で解決できると考えられます。

3. 研究の総括
本研究開発を立ち上げる際、造船所のニーズを集約し、以下

長 2m の施工後に一旦休止し、数分後に溶接長 3m の施の 3 点を目標としました。

工を実施することで溶接長 5m の突合せ継手を製作しま①世界でも初めての厚板のレーザ・アークハイブリッド溶接のした。

実現（先行する欧州は薄板）（ロ）初期ギャップが 0.2mm の試験体について安定した溶接②日本の造船所の実態（船種、製造方法、設備等）に適合する

外観が得られました。但し、溶接長 4,800mm 以降の溶接（例：シールドガスは欧州では MAG、本研究では日本で端部で溶け落ちが見られましたが、これは入熱により一般的な CO2）

ギャップが大きくなったためです。この問題はエンドタ③ギャップ幅と溶接線の変化を検知しそれに追従するようなト

ブの設置及び継手の面内回転変形を抑制する治具の設置

ラッキング装置の開発（欧州では溶接面を予め機械切削し大により解決できると考えられます。

規模な拘束装置を使用）（ハ）以上より、レーザ出力の減衰や熱レンズ効果に起因する
レーザ焦点シフト等の影響に対する対策や仮付けの強化

以上の目標設定に基づき、厚板のレーザ・アークハイブリッ

を図れば、長尺の突合せ継手製作は可能になるとの目処

ド溶接の実用化に向けた課題要素（適用板厚の範囲、溶接速度、は得られたと考えます。

ギャップ裕度、仮付け方法、開先形状に応じた溶接条件、皮膜（ニ）①の（ニ）については、当該突合せ継手の製作実証試験においても同様です。

処理の影響、スパッタの抑制、溶接ヒュームの抑制、シームト
ラッキング等）を抽出し、これらについての基礎的研究を完了
し目標を達成しました。また、今後各造船所においてハイブリッ
ド溶接を採用する場合、各社において、溶接条件の設定と同溶
接条件に応じたハイブリッド溶接の装置システムのチューニン
グを行う必要がありますが、その際、予め想定すべき項目（レーザパワーの漸減、熱レンズ効果）を見出すとともにその対策を示すことができました。

図3

突合せ溶接の様子

以上より、厚板のハイブリッド溶接の研究は、目標を達成し（2）ハイブリッド溶接を造船所に導入する場合の課題と対策

たこと、九州大学に実用化に必要なノウハウが蓄積されたこと、造船所においてハイブリッド溶接の装置システムをチューニ

及び、本研究で明らかにされた課題は造船所及び鉄鋼メーカー

ングする際、レーザパワー漸減及び熱レンズ効果への対策が必による設備投資により解決すべきものであることから、実用化要であることが判明しました。この問題へは以下の対策を施す段階に移ることとなり、完了しました。

ことで解決できると考えられます。

①レーザパワー漸減の問題への対策
今回の実験では、一定時間毎にレーザパワーを初期指令値よりやや高い指令値に再設定することで、意図するレーザパ
ワーを継続的に維持する対策を施しました。しかし、このレー

22 SRC NEWS No.104 June 2019

（企画室

田中

信行）

Topics

日本海事協会と包括的連携協定 「船舶及び海洋開発の分野における技術支援業務に関する包括的連携協定」を締結

一般財団法人日本造船技術センター（会長：伊藤茂、以下汚染防止に関するSRC）は、一般財団法人日本海事協会（会長：冨士原康一、以下 ClassNK）と、2018 年 12 月 6 日、
「船舶及び海洋開発の検査などに従事す分野における技術支援業務に関する包括的連携協定」を締結の立場から海事クしました。

ラスターの一員とるなど、それぞれ

本協定は、船舶及び海洋開発の分野における事業を効果的、して船舶及び海洋

効率的に推進するため、双方の事業能力及び人材を活用し、開発分野の発展へ

情報交換、コンサルティング事業の企画及び開発、人材の交の貢献に努め、必流・養成などにおいて、連携・協力を推進することを定めたも要に応じ協力を行ってまいりました。
今般の協定の下、それぞれの強みを活かした総合力を発揮のです。

SRC は 400m 水槽などを活用した試験業務を中心とした船し、安全、海洋環境の保全及び海洋開発に関わる様々な課題

型開発をはじめとして各種船の設計・建造管理、ODA での海の解決、合理的かつ効率的な事業開発、事業提供、並びに技外協力業務等に関しての総合コンサルティング業務を 50 年

術的信頼性の高い情報の発信などを通じ、国内海事・海洋分にわたって行ってきており、一方 ClassNK は、世界約 130

野の一層の発展に貢献してまいります。

か所のネットワークによる船舶及び海洋構造物の安全・環境（総合コンサルティング事業室）

委員会等● 第3回SPCG委員会
平成31年1月30日● 第21回

日本造船技術センター大会議室● 第144回HRC委員会
平成31年1月30日● 第14回

日本造船技術センター大会議室

理事会（通常）平成31年3月 6日● 第4回SPCG委員会

日本造船技術センター役員会議室

評議員会（臨時）

平成31年3月19日

日本造船技術センター役員会議室

5 月 1 日から元号が令和に改まりました。
なります。

日本造船技術センター大会議室

下記までご連絡をお願いいたします。
〒 180-0003の世界での変化が大きく早い動の時代であったのに対し、平成はハードウエ

東京都武蔵野市吉祥寺南町 1 丁目 6 番 1 号

アの世界での変化はゆっくりで世の中が安定した静の期間であったように思います。

吉祥寺スバルビル 3 階

民主主義が社会に根付き、物事の決定に際して各方面の意見が尊重される

TEL 0422-40-2820

ようになった結果、多数の利害を調整する手続きが多くなり時間も必要とさ
例えば、東海道新幹線は昭和 34 年に着工され 5 年後の昭和 39 年には東京・

平成31年3月28日

試験等の申し込み、問い合わせは

自分なりに昭和・平成を振り返ってみると、昭和は目に見えるハードウエア

れるようになり、ハードウエアの世界の変化が遅くなったのかもしれません。

日本造船技術センター大会議室

申し込みの受付

編集後記
昭和 28 年に生まれた私にとって令和は、昭和・平成に続く 3 番目の元号と平成31年3月28日● 第145回HRC委員会

地図

大阪間で開業したのに対し、平成 26 年に着工された中央リニア新幹線は東京・名古屋間の開業までに 13 年間を要するといったようにです。ルートの違いや使われる技術の違いがあることが大きく影響しているはずですが、安全・環境に対する配慮が昭和時代とは比較にならない程大きくなっていることも影響しているものと思います。
一方、目に見えないというのはおかしいかもしれませんが、平成時代は情報通信技術に支えられたソフトウエアの世界では人類史上に残る革命的な変化の時代であったかもしれません。インターネットは情報の世界における物
理的な国境を完全に取り払ってしまいました。安価に大量の情報を世界中でやり取りすることができるようになるとは昭和時代には想像もできませんで入口した。また、GPS に代表される高度な測位技術は今や個人の生活にとっても無くてはならないものになっています。これまで相対的に決まっていた位置関係を地球上の絶対座標として誰でも認識できるようになったことは、六分儀を知る者にとっては驚くべきことです。
新しく迎えた令和の時代にどのような変化が起きるのか想像もつきません
が、平和が続き、若者にとって夢の多い時代になることを祈念してやみません。

SRC NEWS No.104 June 201923

Shipbuilding Research Centre of Japan

一般財団法人 日本造船技術センター

http://www.srcj.or.jp